Šodien mēs runāsim par nākotnes tranzistoriem un atklāsim visus to radīšanas noslēpumus. Jau šodien ir skaidrs, ka mums priekšā ir milzīgu izmaiņu periods šķeldas ražošanas struktūrā un metodē, kādas tirgus sen nav pieredzējis. Pasaules dižākie prāti pavada bezmiega naktis, domājot, kādu formulu izmantot, lai liktu atsevišķiem atomiem dejot tieši tā, kā tiem nepieciešams, un darīt lietas, kas, šķiet, pārkāpj fizikas likumus.
Tas būs arī pastiprinātas konkurences periods starp pusvadītāju gigantiem no ASV, Korejas un Taivānas. Viņi ir tie, kas cenšas izmantot gaidāmās paradigmas maiņas priekšrocības, lai atjaunotu, iegūtu vai nostiprinātu savas tehnoloģiskā līdera pozīcijas. Kādas inovācijas un revolūcijas mūs sagaida? Mēģināsim šodien izskaidrot.
Lasiet arī: Kas ir AMD XDNA? Arhitektūra, kas nodrošina Ryzen procesoru AI
Tranzistoru ģeometrijas maiņa
Pareizāk sakot, viņu mērķi mainīsies. Pirmais jauninājums, ko prezentēs (vai bija!) trīs lielie pusvadītāju ražotāji (TSMC, Intel, Samsung), tie ir tā sauktie GAAFET tranzistori. Šīs ir pirmās tik lielas izmaiņas tranzistoru ģeometrijā kopš 2011. gada, kad pasaule ieraudzīja Intel FinFET tranzistorus. Es nevēlos pārāk daudz kavēties pie GAAFET tēmas, jo tam ir nepieciešams atsevišķs raksts. Šeit mēs apspriedīsim tikai to koncepciju.
Līdz ar tranzistoru miniaturizāciju inženieri sāka izjust tā sauktos īso kanālu efektus. Īsāk sakot, tā kā attālums starp kanalizāciju un tranzistora noteci kļuva mazāks, problēma kļuva arvien lielāka. Tas ir, aizvars sāka zaudēt kontroli pār kanālu, kas plūst caur kanālu. Vairākus gadus šīs problēmas risinājums bija tas, kā panākt, lai kanāls izvirzītu no silīcija vafeles virsmas kā spura (tātad FinFET FinFET spura). Tas ļauj vārtiem pieskarties kanālam no trim pusēm (vai divām, ja malai ir ķīļveida šķērsgriezums), nodrošinot labāku strāvas plūsmas kontroli un lielāku elastību tranzistoru elektrisko parametru pielāgošanā tranzistoru vajadzībām. dizains.
Tomēr pastāvīgā tranzistoru samazināšanās nozīmēja, ka ar to vairs nepietika. Bija nepieciešams, lai vārti sāktu apņemt tranzistora kanālu, tas ir, veidotu GAAFET tranzistorus (GAA ir saīsinājums vārdam Gate-All-Around). Vienkārši sakot, tos var uzskatīt par FinFET tranzistoriem, kas novietoti vienā pusē, jo FinFET tranzistoriem bieži ir divas vai trīs malas. Tas ir kā daudzslāņu sviestmaize, kurā kanālus cauruļu vai lokšņu veidā, kas atrodas viens virs otra, atdala izolatora un vārtu slāņi. Lai gan šī koncepcija ir pazīstama jau daudzus gadus un tajā tiek izmantotas esošās iekārtas un procesi, tās īstenošana nav triviāla. Problēma ir tāda, ka kādā posmā nākamie kanāla slāņi karājas gaisā, ko atbalsta tikai pagaidu "stabs". Tajā pašā laikā to apakšējā daļa vienmērīgi jāpārklāj ar dielektriķa slāni ar viena atoma biezumu un pēc tam rūpīgi jāaizpilda visas tukšās vietas ar materiālu.
To, ka GAAFET nav triviāli, uzsver situācija ar Samsung. Kopš 2022. gada Korejas portfelim ir process ar MBCFET tranzistoriem (mārketinga nosaukums Samsung lai ieviestu GAAFET tranzistorus). Tomēr praksē šī ir tipiska pirras uzvara sacīkstēs. Fakts ir tāds, ka ar to iegūto pilnībā funkcionālo mikroshēmu procentuālais daudzums ir tik zems, ka gandrīz neviens nevēlas to izmantot ražošanā (pat… Samsung jūsu Exynos). Mēs zinām tikai to, ka to izmanto mazu un salīdzinoši vienkāršu mikroshēmu ražošanai kriptovalūtas kalnračiem. Paredzams, ka plašāk tiks izmantota tikai šī procesa otrā paaudze, kas būs pieejama 2024. gadā ar nosaukumu 3GAP (lai gan daži avoti saka, ka to varētu pārdēvēt par 2nm klases procesu).
GAAFET tranzistori (Intel tā ieviešanu dēvē par RibbonFET) Intel rūpnīcām šogad būtu jāpiegādā Intel 20A un 18A procesu ietvaros, kas tiks izmantoti Arrow Lake un Lunar Lake sistēmu komponentu ražošanai. Tomēr dažādas nozares baumas liecina, ka sākotnējais ražošanas apjoms var būt ierobežots.
Kā ar TSMC? Taivānas uzņēmums plāno savā N2 procesā izmantot GAAFET tranzistorus, kas, domājams, nebūs pilnībā gatavs līdz 2025. gadam. Teorētiski vēlāk nekā gadā Samsung un Intel, bet, ja TSMC runā par noteiktu procesu, tas parasti nozīmē, ka ir gatavs kaut ko ražot Apple і Nvidia, tāpēc praksē atšķirība var būt daudz mazāka.
Lasi arī: Viss par Neuralink Telepathy mikroshēmu: kas tas ir un kā tas darbojas
Tranzistoru barošanas veida maiņa
Otrs jauninājums, kas mūs sagaida, ir saistīts ar to, kā tiks darbināti tranzistori mikroshēmās. Pašlaik mikroprocesora ražošanas process notiek slāņos no apakšas uz augšu. Zemāk tiek būvēti tranzistori, pēc tam virs tiem izbūvēti pieslēguma tīkli un tad jaudas kabeļi. Parasti ir no desmit līdz vairāk nekā divdesmit slāņiem, un jo augstāks slānis, jo lielāki tā elementi.
Dažu tuvāko gadu laikā standarts būs tāds, ka pēc tranzistoru savienojumu izveidošanas silīcija plāksne tiks apgriezta, atšķaidīta un jaudas ceļi tiks izveidoti otrā, pulētā vafeles pusē. Tas nozīmē, ka tranzistori būs kā pīrādziņi burgerī, nevis kūkas pamatne.
Ir viegli uzminēt, cik ļoti tas sarežģīs mikroshēmu ražošanas procesu, taču saskaņā ar pirmajiem eksperimentiem BSPDN (Back Side Power Delivery Network) process sniedz daudzas priekšrocības. Pirmkārt, pateicoties šai pieejai, tranzistorus var novietot tuvāk viens otram. Otrkārt, kopējais slāņu skaits būs mazāks. Treškārt, savienojumi no augstākā līmeņa barošanas avota līdz tranzistoram būs īsāki. Un tas nozīmē mazāku enerģijas zudumu un iespēju samazināt barošanas spriegumu. Precīzi šī risinājuma ieviešanas veidi var atšķirties pēc sarežģītības un potenciālajiem ieguvumiem, taču visi lielākie tirgus dalībnieki apgalvo, ka spēle noteikti ir sveces vērta.
Vēlāk šogad mēs pirmo reizi redzēsim BSPDN darbībā Intel Process 20A (Intel tā ieviešanu sauc par PowerVia). Intel šo straujo attīstību ir parādā tam, ka tas jau kādu laiku ir strādājis pie šīs tehnoloģijas neatkarīgi no darba pie tranzistoru ģeometrijas maiņas un jaunāku mašīnu izmantošanas. Tas nozīmē, ka viņa to varēs integrēt gandrīz jebkurā turpmākajā procesā.
Samsung vēl nav jāsniedz oficiāla informācija par to, kad tas sāks izmantot savu BSPDN atsauksmju procesa versiju. Nav daudz jaunumu, bet mēs zinām, ka Intel jau eksperimentē ar šo risinājumu. Un nozares baumas runā par tā ieviešanas iespējām SF2 procesā, kas plānots 2025. gadā, vai nākamajā, kas plānots 2027. gadā.
TSMC arī velta savu laiku šajā jomā un ziņo, ka, lai gan pirmie eksperimenti nes labus rezultātus, tā plāno ieviest BSPDN N2P procesā, ko plānots ieviest tikai 2026. un 2027. gada mijā.
Lasi arī: Teleportācija no zinātniskā viedokļa un tās nākotne
Plākšņu ekspozīcijas mašīnu maiņa
Neviena nopietna saruna par mikroprocesoru ražošanu nav pabeigta, nepieminot Rayleigh kritēriju. Litogrāfijas gadījumā, tas ir, silīcija plāksnīšu eksponēšanas procesā, tas izpaužas kā šāda formula:
CD = k1 • λ / NA.
Vienkārši sakot, tas nozīmē, ka mazākā elementa izmērs, ko var radīt gaisma uz silīcija vafeles virsmas, ir atkarīgs no trim skaitļiem:
k1 praksē ir bezdimensiju koeficients, kas norāda uz procesa efektivitāti;
λ ir gaismas viļņa garums, kas apgaismo plāksni;
NA ir optiskās sistēmas skaitliskā apertūra.
Daudzus gadus galvenais veids, kā palielināt tranzistoru iepakojuma blīvumu, ir bijis gaismas izmantošana ar arvien īsākiem viļņu garumiem. Mēs sākām no dažu simtu nanometru līmeņa un varējām salīdzinoši ātri pāriet uz gaismas izmantošanu 193 nm viļņa garumā, kurā pusvadītāju pasaule ir iestrēgusi daudz ilgāk, nekā tā gribēja. Pēc gadiem ilgas izpētes, aizkavēšanās un miljardiem dolāru iztērēto 2019. gadā ASML UV litogrāfijas iekārtas beidzot nonāca tirgū. Tie izmanto ultravioleto gaismu (EUV) ar viļņa garumu aptuveni 13,5 nm, un tagad tos izmanto visās modernajās mikroshēmu ražošanas rūpnīcās. Tomēr šī, iespējams, ir pēdējā reize, kad λ tika veiksmīgi samazināts iepriekš minētajā formulā.
Tāpēc būs jāspēlējas ar NA maiņu. Jūs varat iedomāties NA kā kameras objektīva apertūru. Šis bezizmēra skaitlis nosaka, cik daudz gaismas optiskā sistēma savāc. Litogrāfisko iekārtu gadījumā tas nozīmē (saskaņā ar iepriekš minēto formulu), ka, ja mēs vēlamies izveidot arvien mazākus objektus, jo lielākai jābūt NA. Pašlaik izmantotajām ASML mašīnām NA ir 0,33. Nākamais solis ir mašīnas ar lielu optiskās sistēmas skaitlisko apertūru, kuru NA ir 0,55.
Tas izklausās vienkārši, taču šajā biznesā nekas nav vienkāršs. To vislabāk ilustrē fakts, ka High-NA iekārtas ir daudz lielākas un vairāk nekā divas reizes dārgākas nekā to priekšgājēji (apmēram 400 miljoni ASV dolāru pret aptuveni 150 miljoniem ASV dolāru), vienlaikus arī mazāka caurlaidspēja. Tāpēc, lai gan visi zina, ka šī ir vismodernāko procesoru ražošanas nākotne, tā bieži tiek uztverta kā nepieciešamā ļaunuma forma.
Intel visātrāk izmantoja EUV High-NA iekārtas. Amerikāņu kompānija jau ir iegādājusies pirmo pieejamo šāda veida mašīnu, kas šobrīd tiek uzstādīta vienā no uzņēmuma rūpnīcām Oregonas štatā. Tāpat Intel plāno iegādāties lielāko daļu šogad ražoto mašīnu. Zināms, ka 14A procesā izstrādātāji plāno plašā mērogā izmantot High-NA litogrāfiju, kas paredzams, ka dienasgaismu ieraudzīs 2026. vai 2027. gadā (ja viss notiks saskaņā ar plānu).
Vienlaikus, Samsung un TSMC nesteidzas, apšaubot šīs iekārtas izmantošanas ekonomisko jēgu līdz 1 nm procesa ieviešanai, tas ir, apmēram līdz 2030. gadam. Tā vietā viņi plāno izspiest labāko no jau esošajām EUV mašīnām, izmantojot dažādus trikus un procesu uzlabojumus, kas ietilpst k1 faktora paspārnē.
Interesanti arī: Kā Taivāna, Ķīna un ASV cīnās par tehnoloģiju dominējošo stāvokli: lielais mikroshēmu karš
Pārslēdzieties uz 3D
Tagad sākam virzīties uz neskaidras nākotnes, pētnieciskā darba un vispārīgu pieņēmumu, nevis konkrētu plānu zonu. Tomēr sabiedrība ir diezgan vienprātīga, ka pienāks laiks, kad tranzistori būs jāsavieto viens virs otra, jo X un Y mērogošana praktiski sasniegs savu robežu. Pašlaik P-veida un N-tipa tranzistori ir novietoti blakus. Mērķis ir sakraut N-tipa tranzistorus virs P-tipa tranzistoriem, tādējādi radot tranzistoru “sviestmaizes”, ko sauc par CFET (komplementāriem FET). Tiek pētītas divas galvenās metodes šāda dizaina sasniegšanai: monolītais, kurā visa konstrukcija ir uzcelta uz vienas plāksnes, un secīgie, kuros N un P tipa tranzistori tiek ražoti uz atsevišķām plāksnēm, kuras ir "salīmētas" kopā.
Pēc ekspertu domām, mikroprocesoru ražošanas tirgus trešajā dimensijā ieies ap 2032.-2034.gadu. Šobrīd zināms, ka Intel un TSMC intensīvi strādā pie šīs tehnoloģijas ieviešanas, taču Samsung, iespējams, arī neguļ, jo potenciālie ieguvumi no šī risinājuma izmantošanas ir milzīgi.
Interesanti arī: Visums: visneparastākie kosmosa objekti
Pāreja uz "divām dimensijām"
Vēl viena problēma, ar kuru cenšas tikt galā mikroshēmu ražošanas pasaules līderi, ir banāls silīcija trūkums. Šis elements mums ir uzticīgi kalpojis vairākus gadu desmitus, taču tā ierobežotais daudzums sāk padarīt neiespējamu turpmāku mazāku un ātrāku tranzistoru ražošanu. Tāpēc visā pasaulē turpinās tā saukto divdimensiju materiālu izpēte, kas varētu aizstāt silīciju tranzistora kanālā. Tie ir materiāli, kuru biezums var būt vairāki vai tikai viens atoms, un nodrošina elektriskā lādiņa kustīgumu, kas šāda biezuma silīcija pusvadītājiem nav pieejams.
Slavenākais divdimensiju materiāls ir grafēns. Lai gan tā izmantošana mikroshēmu ražošanā joprojām tiek pētīta, dabiskās enerģijas plaisas trūkuma dēļ ir apšaubāms, vai to kādreiz izmantos rūpnieciskā mērogā pusvadītāju ražošanai. Taču pētījumi, izmantojot TMD savienojumus (Transition Metal Dichalcogenides - periodiskās tabulas d bloka pārejas metālu savienojumi un periodiskās tabulas 16. grupas halkogēni), piemēram, Intel un TSMC vadītie MoS 2 un WSe 2 izskatās diezgan daudzsološi. To sekas mēs varēsim redzēt nākamajā desmitgadē.
Lasi arī:
Interesanti laiki priekšā
Rezumējot, es atzīmēju, ka nākamie gadi būs pilni ar inovācijām un revolūcijām pusvadītāju ražošanas jomā. Iepriekš aprakstītie jauninājumi pat neizsmeļ tēmu, jo neko neminējām ne par datorlitogrāfiju, ne par čiletu izstrādi, ne par iespējamo pāreju uz Glass procesora bāzi. Mēs arī nerunājām par progresu atmiņas ražošanā.
Ikviens zina, ka šādi pavērsieni ir ideāli piemēroti, lai panāktu tehnoloģisko nobīdi, jo pastāv liela varbūtība, ka konkurenti cietīs neveiksmi. Intel pat izvirzīja visu uzņēmuma nākotni, lai varētu piedāvāt nākamo pusvadītāju jauninājumu ātrāk nekā konkurenti. Arī ASV valdība ir ļoti ieinteresēta atjaunot jaunāko mikroshēmu ražošanu Ziemeļamerikā, tāpēc tā investē miljardus dolāru Intel attīstībā. Tomēr mikroshēmu subsīdijas ir ne tikai amerikāņu interešu joma. Korejā un Taivānā valdības arī sniedz dāsnas preferences Samsung un TSMC, jo viņi zina, cik svarīgs ir nākotnes periods un cik lielā mērā šo valstu nākotne ir atkarīga no jaunajām tehnoloģijām. Cita starpā tāpēc, ka viņiem aiz muguras ir Ķīna, kas arī iegulda milzīgus līdzekļus pusvadītāju ražošanas izpētē, attīstībā un attīstībā, bet tā jau ir cita raksta tēma.
Lasi arī: